Phân tích ứng xử của bản bê tông cốt sợi thép tính năng siêu cao

Bài báo này trình bày một số kết quả khảo sát thực nghiệm trên các bản bê tông cốt sợi thép tính năng siêu cao, các quan sát và phân tích tập trung vào: Quan hệ tải trọng và độ võng; quan hệ tải trọng và biến dạng; sự hình thành vết nứt của bản bê tông cốt sợi thép tính năng siêu cao, nhằm mục đích sử dụng chế tạo bản mặt cầu treo.

KẾT CẤU - CƠNG NGHỆ XÂY DỰNG PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA BẢN BÊ TƠNG CỐT SỢI THÉP TÍNH NĂNG SIÊU CAO TS TRẦN BÁ VIỆT, TS LÊ MINH LONG Viện KHCN Xây dựng ThS NGUYỄN TRUNG HÒA Trường Đai học Vinh Tóm tắt: Bê tơng cốt sợi thép tính siêu cao loại vật liệu đánh giá cao nhiều tính hữu dụng Bài báo trình bày số kết khảo sát thực nghiệm bê tơng cốt sợi thép tính siêu cao, quan sát phân tích tập trung vào: quan hệ tải trọng độ võng; quan hệ tải trọng biến dạng; hình thành vết nứt bê tơng cốt sợi thép tính siêu cao, nhằm mục đích sử dụng chế tạo mặt cầu treo Đặt vấn đề Hiện giới Việt Nam nhu cầu xây dựng ngày gia tăng, cơng trình ngày có quy mơ lớn nên đòi hỏi phải có loại bê tơng tính cao Các loại bê tơng phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật cường độ cao, độ dẻo dai cao, ổn định kích thước, bám dính tốt, khơng phân tầng, khơng tách nước, khơng rạn nứt, chịu uốn, chịu cắt, chịu kéo Bê tông tính siêu cao – UHPC (UHPC: Ultra - high performance concrete) bê tơng có cường độ 120MPa, modul đàn hồi 4,4GPa, với độ co thấp khả kháng nứt cao, khả chống ăn mòn cốt thép cao độ đặc cao dẫn tới hệ số thấm clo thấp Ngồi UHPC có tính cơng tác cao thường đạt tới mức độ bê tông tự chảy – SLC Trên bê tông UHPC bổ sung sợi thép mảnh tạo bê tông cường độ siêu cao – UHPSFC (UHPSFC: Ultra - high performance steel fiber reinforced concrete) có tính chất tốt UHPC khả dẻo dai cao, cường độ uốn 30MPa, cường độ kéo trực tiếp 8MPa, khả Vật liệu Xi măng (kg) Cát nghiền (kg) Cát trắng (kg) Tro bay (kg) Silica Fume (kg) Phụ gia siêu dẻo (kg) Nước (kg) Thép 10 kháng nứt hạn chế mở rộng vết nứt tốt Trên giới việc ứng dụng UHPC UHPSFC tiến hành khoảng 15 năm trước, đến ứng dụng nhiều cơng trình có tiêu chuẩn ứng dụng ACI Mỹ, Hội bê tông Anh, hội kỹ sư Nhật Bản JSCE, Viện kỹ thuật xây dựng quốc gia Hàn Quốc KICT, Mặc dù có số nghiên cứu bê tơng cốt sợi tính siêu cao cho dạng kết cấu, tiêu, tiêu chuẩn thiết kế kết cấu dùng bê tơng cốt sợi tính siêu cao chưa đầy đủ, nên việc nghiên cứu sâu đến ứng xử dạng kết cấu mặt cầu treo cho miền núi xem hướng nghiên cứu quan trọng Bài báo giới thiệu số kết thực nghiệm bê tơng cốt thép tính siêu cao thực nghiệm Phòng thí nghiệm cơng trình – Viện Khoa học công nghệ xây dựng Các mẫu thí nghiệm bao gồm đối chứng, bê tơng cốt sợi chất lượng siêu cao Thí nghiệm tập trung khảo sát quan hệ độ võng tải trọng; quan hệ ứng suất biến dạng; hình thành vết nứt Vật liệu, mẫu thí nghiệm quy trình thí nghiệm 2.1 Vật liệu - Vật liệu: Sợi thép, xi măng, cát, cát nghiền, tro trấu, phụ gia siêu dẻo, silica fume, nước; - Cấp phối bê tông dùng cho đối chứng bê tông cốt sợi: Cấp phối đối chứng MT-01: CP-01 1000 300 450 300 100 30 215 Thép phi 6a100 theo phương Cấp phối MT-02; MT-03; MT-04; MT05: CP-02 1000 300 450 300 100 30 215 Hàm lượng thép (3%) Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2015 KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG - Đặc trưng lý mẫu chế tạo CP-02: Mẫu thí nghiệm sau số ngày bảo dưỡng (ngày) 28 Cường độ chịu nén (MPa) 50 127 160 190 - Mô đun đàn hồi: E = 4,8 (GPa) - Khối lượng riêng: γ = 2450 kg/m 2.2 Mẫu thí nghiệm Mẫu thí nghiệm gồm 03 bê tơng: - Mẫu bản đối chứng: MT-01: có kích thước 2,2x0,4x0,03m; dùng bê tơng khơng có cốt sợi, bố trí thêm lưới thép phi 6a100mm; - Mẫu 2: MT – 02: có kích thước 2,2x0,4x0,03m; dùng bê tông cốt sợi; - Mẫu 3: MT - 03: có kích thước 2,2x0,4x0,04m; dùng bê tông cốt sợi 2.3 Thiết bị quy trình thí nghiệm Cường độ chịu kéo uốn (MPa) 22 35 45 50 Cường độ kéo trực tiếp (MPa) 7,0 9,2 12,0 - Thí nghiệm cho thực hệ thống gối hình Tải trọng tạo gang, trọng lượng gang nặng 25kg Các cấp tải đặt vị trí bê tơng hình Các thiết bị đo dùng cho thí nghiệm này: Cảm biến đo biến dạng dùng để đo biến dạng bề mặt bê tơng; tín hiệu ghi nhận qua thiết bị đo Đồng hồ chuyển vị kế sử dụng để đo độ võng, bố trí đáy bên gối Quá trình gia tải thực tay, cấp gia tải gang, tổng trọng lượng 100kg Các tín hiệu đo đọc ghi lại người thí nghiệm - Trình tự thí nghiệm, đối chứng (MT - 01) thí nghiệm đầu tiên, MT- 02 cuối MT- 03 Hình Hệ thống gối gia tải thí nghiệm cho Hình Sơ đồ cấp tải thí nghiệm cho Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2015 11 KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Kết thí nghiệm thảo luận 3.1 Ứng xử bê tơng theo phương pháp tính lý thuyết - Với kích thước 2,2x0,4m hệ thống gối gia tải hình bê tơng làm việc theo phương Ta có sơ đồ nhịp tính tốn tải trọng hình vẽ (hình 3); - Độ võng điểm xác định theo công thức: f  f1  q l 384 EI đó: E - Mô đun đàn hồi vật liệu; I - Mô men kháng uốn; q - Tải trọng phân bố; l - nhịp - Với cấu kiện tiết diện hình chữ nhật: I  bxh 12 Hình Sơ đồ xác định nhịp tải trọng - Dựa vào cấp tải trọng gia tải ta xác định độ võng điểm nhịp bản, tải trọng phân bố có tính đến trọng lượng thân Các giá trị độ võng thể bảng 1: Bảng Giá trị độ võng điểm gia tải tính theo phương pháp lý thuyết Cấp tải Bản dày cm ( 2x0,4x0,03) Bản dày cm ( 2x0,4x0,04) Độ võng tiết diễn bản( mm) Cấp Cấp Cấp (200kg) (300kg) (400kg) Trọng lượng thân Cấp (100kg) 1,39 4,04 6,70 9,35 0,78 1,90 3,02 4,14 3.2 Ứng xử bê tông theo phương pháp tính tiêu chuẩn TCVN 5574:2012 - Độ võng xác định theo công thức: l 1 fm   M x   dx  r x đó: Mx – mơ men uốn tiết diện x tác dụng lực đơn vị đặt theo hướng chuyển vị cần xác định Cấp (500kg) Cấp (600kg) 12,00 14,65 17,30 5,26 6,38 7,50 cấu kiện tiết diện x chiều dài nhịp cần tìm độ võng;  1 –    r x độ cong toàn phần tiết diện x tải trọng gây nên độ võng cần xác định - Dựa vào cấp tải trọng gia tải ta xác định độ võng nhịp bản, giá trị độ võng thể bảng 2: Bảng Giá trị độ võng điểm gia tải tính theo TCVN 5574-2012 Cấp tải Bản dày cm ( 2x0,4x0,03) Bản dày cm ( 2x0,4x0,04) 12 Độ võng tiết diện bản( mm) Cấp Cấp Cấp (200kg) (300kg) (400kg) Trọng lượng thân Cấp (100kg) - 4,60 7,30 9,90 - 2,20 3,30 4,40 Cấp (500kg) Cấp (600kg) 12,50 15,20 17,80 5,60 6,70 7,80 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2015 KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 3.3 Kết thí nghiệm đối chứng MT- 01 - Sơ đồ vết nứt: - Ứng xử đối chứng MT-01 cấp tải (100kg): độ võng 4,39mm; Tại cấp tải (200kg) độ võng nhịp 34,9mm; Tại cấp tải (300kg) độ võng nhịp 46,08mm, bị phá hủy tải trọng cấp Số liệu thể bảng Kết biểu đồ tải trọng – Độ võng thể hình 3; + Tại cấp tải (100kg), xuất vết nứt rộng 0,1mm Tại cấp tải 2, xuất vết nứt, vết rộng 0,3mm Tại cấp tải 3, xuất 13 vết nứt, vết rộng 0,8mm Vị trí vết nứt trải từ vị trí cách gối G1 khoảng 60cm đến vị trí cách gối G1 khoảng 170cm Tại vị trí cách gối G1 khoảng 123cm vết nứt lớn có độ rộng 0,8mm - Kết thí nghiệm tải trọng biến dạng bản: Tại cấp tải biến dạng 96 µε, cấp tải biến dạng 2348 µε Biểu đồ quan hệ ứng suất biến dạng hình 4; - Kết luận kết thí nghiệm đối chứng khơng cốt sợi, có cốt thép phi MT-01: + Với cấp tải (200kg), MT-01 có độ võng 34,9mm vượt giới hạn so với tiêu chuẩn Tại cấp tải (300kg) độ võng 46,08mm MT-01 bị phá hủy Các vết nứt xuất nhiều (13 vết nứt), vết nứt lớn 0,8mm - Tại vị trí bu lơng neo gối, bu lơng neo đảm bảo yêu cầu chịu lực cố định bê tông gối Bảng Kết đo độ võng biến dạng vị trí STT Tải trọng thí nghiệm (kg) Thời gian giữ tải (phút) 0,0 Chuyển vị vị trí đo (mm) D1 (gối 1) 0,00 D2 (giữa) 0,00 D3 (gối 2) 0,00 Biến dạng vị trí đo (με) Ghi Ứng suất (MPa) P1 - - 0,00 100 10,0 0,12 -4,39 0,10 96,00 200 10,0 1,07 -34,90 1,18 2348,00 300 - - -46,08 - - - 01 vết nứt rộng 0,1mm 08 vết nứt rộng 0,3mm 13 vết nứt rộng 0,8mm 4,8 117,4 - Ghi chú: Dấu “-“ biểu thị võng xuống Hình Quan hệ gữa tải trọng độ võng mẫu MT-01 3.4 Kết thí nghiệm MT- 02 - Tại cấp tải 1,2,3 tương ứng với lực đặt 100kg, 200kg, 300kg làm việc miền Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2015 Hình Quan hệ gữa ứng suất biến dạng mẫu MT-01 đàn hồi, cấp tải độ võng 6,09mm Tại cấp tải 4,5,6 tương ứng với lực đặt 400kg, 500kg, 600kg làm việc miền phá hoại dẻo Độ võng cấp tải 44,43 mm, mẫu sau bị 13 KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG phá hoại Số liệu thể bảng Kết biểu đồ tải trọng – Độ võng thể hình Kết biểu đồ tải trọng – biến dạng thể hình 7; Kết biểu đồ ứng suất – độ võng thể hình 8; Kết biểu đồ ứng suất – biến dạng thể hình Bảng Kết đo độ võng biến dạng vị trí STT Cấp tải Tải trọng thí nghiệm (kg) Thời gian giữ tải (phút) Chuyển vị vị trí đo (mm) Biến dạng vị trí đo (με) Ghi 0 0,0 D1 (gối 1) 0,00 D2 (giữa) 0,00 D3 (gối 2) 0,00 P1 P2 - 0,00 0,00 - 100 10,0 0,03 -1,93 0,06 85,00 82,00 - 200 10,0 0,08 -3,99 0,11 162,00 149,00 - 300 10,0 0,13 -6,09 0,16 246,00 231,00 - 400 10,0 0,21 -11,32 0,33 468,00 520,00 - 500 10 0,67 -23,12 0,66 1133,00 1207,00 Xuất vết nứt (02 vết rộng 0,1mm) 600 - 1,57 -44,43 1,30 1901,00 1919,00 Mẫu bị phá hủy Ghi chú: Dấu “-“ biểu thị võng xuống 14 Hình Quan hệ tải trọng độ võng mẫu MT-02 Hình Quan hệ tải trọng biến dạng mẫu MT-02 Hình Quan hệ ứng suất độ võng mẫu MT-02 Hình Quan hệ ứng suất biến dạng mẫu MT-02 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2015 KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG - Tại vị trí bu lơng neo gối, bu lông neo đảm bảo yêu cầu chịu lực cố định bê tông gối - Sơ đồ vết nứt: + Tại cấp tải (500 kg), xuất vết nứt đầu tiên, vết nứt rộng 0,1mm Tại cấp tải 6, vị trí vết nứt cách mép phía gối G1 khoảng 85 cm bị phá hủy - Kết luận kết thí nghiệm MT-02 + Tại cấp tải 1,2,3 tương ứng với lực đặt lên 100 kg, 200 kg, 300 kg làm việc miền - Tại cấp tải 1, 2, 3, 4, 5, tương ứng với lực đặt 100 kg, 200 kg, 300 kg, 400 kg, 500 kg, 600 kg làm việc miền đàn hồi Độ võng cấp tải 12,96mm Số liệu thể bảng Kết biểu đồ tải trọng – Độ võng thể hình 10 Kết biểu đồ tải trọng – biến dạng thể hình 11; - Tại vị trí bu lơng neo gối, bu lông neo đảm bảo yêu cầu chịu lực cố định bê tông gối; - Sơ đồ vết nứt: khơng có vết nứt q trình gia tải lưu tải đàn hồi, độ võng 6,09mm đạt yêu cầu - Kết luận kết thử nghiệm MT-03 độ võng Tại cấp tải (400 kg) độ võng 11,32mm không xuất vết nứt Tại cấp tải xuất vết nứt có bề rộng 0,1mm Tại cấp MT-03 bị phá hủy, vị trí phá hủy cách gối G1 khoảng 85cm 3.5 Kết thí nghiệm MT- 03 + Tại cấp tải 1,2,3,4,5,6 tương ứng với lực đặt lên 100 kg, 200 kg, 300 kg, 400 kg, 500 kg, 600 kg làm việc miền đàn hồi, độ võng 12,96mm đạt yêu cầu độ võng Tại cấp tải (600 kg) sau lưu tải 24h hạ tải không xuất vết nứt Bảng Kết đo độ võng biến dạng vị trí Tải trọng chất lên vùng thử tải (kg/m ) 125 10 0,07 -0,99 0,05 52 53 49 250 10 0,16 -2,06 0,10 107 108 103 375 10 0,26 -3,13 0,17 160 161 157 500 10 0,39 -4,33 0,25 199 227 168 625 10 0,51 -6,26 0,34 264 279 253 750 1200 1,02 -12,96 0,75 560 597 502 Cấp tải Chuyển vị vị trí đo (mm) Biến dạng vị trí đo (με) Thời gian giữ tải (phút) D1 (gối) D2 D3 (gối) P1 (giữa) P2 P3 0,00 0,00 0,00 0 Ghi chú: Dấu “-“ biểu thị võng xuống Hình 10 Quan hệ tải trọng chuyển vị mẫu MT-03 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2015 Hình 11 Quan hệ tải trọng biến dạng mẫu MT-03 15 KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Kết luận - Từ kết tính theo phương pháp lý thuyết, tiêu chuẩn TCVN: 5574-2012 Kết cấu bê tông bê tông cốt thép - Tiêu chuẩn thiết kế kết thí nghiệm ta có bảng kết (bảng 6): Bảng Kết độ võng theo phương pháp lý thuyết thí nghiệm Độ võng tiết diễn (mm) Cấp tải Cấp Cấp Cấp Cấp Cấp Cấp (100kg) (200kg) (300kg) (400kg) (500kg) (600kg) Bản MT-02 4,04 6,70 9,35 12,00 14,65 17,30 Bản MT-03 1,90 3,02 4,14 5,26 6,38 7,50 Bản MT-02 4,60 7,30 9,90 12,50 15,20 17,80 Bản MT-03 2,20 3,30 4,40 5,60 6,70 7,80 Độ võng Bản MT-01 4,39 34,90 46,08 - - - theo thí Bản MT-02 1,93 3,99 6,09 11,32 23,12 44,43 nghiệm Bản MT-03 0,99 2,06 3,13 4,33 6,26 12,96 Độ võng Ghi theo lý thuyết Độ võng theo TCVN - Với đối chứng MT-01, gia tải lên cấp (200 kg), không thỏa mãn điều kiện độ võng (34,9mm) vết nứt (08 vết nứt, vết rộng 0,3mm), khả chịu lực khoảng 200/0,8 = 250kg/m2; thông thường đạt đến độ võng giới hạn, bê tông bị phá hủy, với bê tông UHPSFC độ võng lớn bê tông chưa bị phá hủy; - Với MT - 02, cấp tải (600 kg) có độ võng 44,43mm, sau bị phá hủy Tại cấp tải (500kg), xuất vết nứt có chiều rộng 0,1mm Bản số MT-02 sau bị phá hủy, vị trí phá hủy vị trí gia tải, gia tải tạo thành xung làm cho tiết diện yếu bị phá hủy tiết diện đó; UHPSFC, độ võng xấp xỉ với độ võng tính - Với MT- 03, gia tải lên cấp (600kg), độ võng (12,69mm) khơng có vết nứt, khả chịu lực cấp 600/0,8 = 750 kg/m2 tải trọng thân 98 kg/m Tổng tải trọng chịu 848 kg/m2; - Khả chịu tải bê tơng tính siêu cao – UHPSFC tốt, để phát huy hết khả chịu lực bê tông này, cần chấp nhận độ võng cao bê tông thông thường Với bê tông 16 - Khi gia tải bê tơng tính siêu cao – toán theo lý thuyết làm miền đàn hồi Khi bị nứt môdul E giảm nên độ võng tăng mạnh; - Khả chịu lực bê tông cốt sợi gấp khoảng lần so với bê tơng thường có cốt thép; Bê tơng sợi có độ võng lớn vượt giới hạn tiêu chuẩn bê tông thông thường, hình thành vết nứt bê tơng cốt sợi thỏa mãn theo yêu cầu tiêu chuẩn Việt Nam; - Theo tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN-05, hoạt tải cho người 300 x 1,75 = 525 kg/m2 với 40 mm bê tơng cốt sợi cường độ siêu cao – UHPSFC đáp ứng tiêu chuẩn yêu cầu Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2015 KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Hình 12 Kết thúc trình gia tải MT-03 TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình 13 Tấm MT-03 thử nghiệm người đứng lên TRẦN BÁ VIỆT, LÊ MINH LONG, NGUYỄN THANH BÌNH, NGUYỄN HỒNG SƠN, NGƠ MẠNH TỒN, VŨ Tiêu chuẩn 5574 : 2012, Kết cấu bê tông bê tông NGỌC LUYẾN ctv (2013), Nghiên cứu chế tạo cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN272-05 NGUYỄN TIẾN BÌNH, TRẦN BÁ VIỆT, Vai trò sợi mương thủy lợi thành mỏng đúc sẵn bê tông cốt sợi thép, Tuyển tập báo cáo Hội nghị khoa học – Kỷ niệm 50 năm thành lập Viện Khoa học công nghệ xây dựng (IBST), pp 207-216, 2: Vật liệu xây dựng polypropylene việc làm giảm biến dạng mềm tu bổ kiến trúc bê tông điều kiện khí hậu nóng ẩm Việt Nam Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng - Viện Khoa học công nghệ xây dựng (IBST), pp.47-52, số 4/2007 TRẦN BÁ VIỆT, NGUYỄN THANH BÌNH (2013), ACI 544.1R-96, State-of-the-Art Report on Fiber Reinforced Concrete FRANCOIS TOUTLEMONDE, JACQUES Nghiên cứu bê tông cốt sợi thép làm mặt đường cứng, RESPLENDINO, Designing and Building with UHPFRC Tuyển tập báo cáo Hội nghị khoa học – Kỷ niệm 50 – State-of-Art and Development, Wiley Inc, 2011 năm thành lập Viện Khoa học công nghệ xây dựng Ngày nhận bài: 22/02/2015 (IBST), pp 198-206, 2: Vật liệu xây dựng tu bổ kiến trúc Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2015 Ngày nhận sửa lần cuối: 18/03/2015 17 ... chịu tải bê tơng tính siêu cao – UHPSFC tốt, để phát huy hết khả chịu lực bê tông này, cần chấp nhận độ võng cao bê tông thông thường Với bê tông 16 - Khi gia tải bê tơng tính siêu cao – toán... chịu lực bê tông cốt sợi gấp khoảng lần so với bê tơng thường có cốt thép; Bê tơng sợi có độ võng lớn vượt q giới hạn tiêu chuẩn bê tông thông thường, hình thành vết nứt bê tơng cốt sợi thỏa... Kết luận - Từ kết tính theo phương pháp lý thuyết, tiêu chuẩn TCVN: 5574-2012 Kết cấu bê tông bê tông cốt thép - Tiêu chuẩn thiết kế kết thí nghiệm ta có bảng kết (bảng 6): Bảng Kết độ võng theo